JP2002301506A

JP2002301506A - 超硬合金製複合ロール

Info

Publication number: JP2002301506A
Application number: JP2001102798A
Authority: JP
Inventors: Mitsuyoshi Horiuchi; 満喜堀内; Toshiyuki Hattori; 敏幸服部
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2001-04-02
Filing date: 2001-04-02
Publication date: 2002-10-15

Abstract

(57)【要約】【課題】内層材と外層材との境界部の接合強度を向上
させた超硬合金製複合ロールを提供する。【解決手段】鉄系材料からなる内層材の外周に、炭化
タングステン粒子を含む超硬合金からなる外層材が金属
接合された超硬合金製複合ロールであって、前記内層材
と前記外層材との間に１層以上の炭化タングステン粒子
を含む超硬合金からなる中間層を有し、前記中間層の炭
化タングステン粒子の含有量を前記外層材より少なくし
たことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、薄帯板、板材、線
材、棒材などの鋼材の圧延に用いられ、靭性に優れる材
料からなる内層材の外周に、炭化タングステン（ＷＣ）
系超硬合金からなる外層材が金属接合された超硬合金製
複合ロールに関する。

【０００２】

【従来の技術】寸法精度の向上、表面疵の減少、表面光
沢度の向上など圧延材に対する高品質化の要求に応える
ために、耐摩耗性、耐肌荒れ性等に優れたＷＣ系超硬合
金が線材、棒鋼、平鋼などの圧延用ロールに適用されて
いる。ＷＣ系超硬合金は公知のごとく、炭化タングステ
ン（ＷＣ）をＣｏ、Ｎｉ、Ｆｅなどの金属元素で結合し
た焼結合金であり、ＷＣの他にＴｉ、Ｔａ、Ｎｂなどの
炭化物を含有することもしばしばある。

【０００３】例えば、特公昭５８−３９９０６号には、
ＷＣ−Ｃｏ−Ｎｉ−ＣｒのＷＣ系超硬合金で構成した線
材圧延用ロールが記載されている。この線材圧延用ロー
ルは、超硬合金単体を焼結した小型のスリーブロールで
あり、靭性に優れた鋼製のロール軸材に０．１／１００
０程度の焼嵌め率で嵌合し、そのスリーブロールの側面
を固定リング、スぺーサーリングなどにより押圧固定し
て機械的に組立てたものである。この種の超硬合金製ス
リーブロールの寸法は、外径が１００〜５００ｍｍ、回
転軸方向の長さが１０〜３００ｍｍ程度の比較的短尺な
ものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前記のような超硬合金
製スリーブをロール軸材に嵌合したロールの場合、固定
リング、スぺーサーリングなど多くの部材が必要で組立
て構造が複雑であり、かつ高い組立て精度を要求される
ので組立に係わる工数や費用がかかるという問題があ
る。また、ロール胴部長さに対して、超硬合金の占める
部分つまり圧延に使用できる部分が半分以下であり効率
的でない問題がある。

【０００５】さらに、超硬合金は熱伝導率が高いため、
圧延使用時に超硬合金の温度が上昇してその熱が鋼製の
ロール軸材に伝わりやすく、ロール軸材が大きく膨張す
る。そこで、超硬合金の熱膨張係数は鋼より小さいの
で、超硬合金製スリーブには半径方向および軸方向に引
張り応力が付与される。焼嵌め時の締め代が大きい場
合、半径方向の引張り応力が高くなり過ぎると、超硬合
金製スリーブの内面から割れを引き起こすおそれがあ
る。また、逆にこのような割れを懸念するあまり焼嵌め
時の締め代が小さい場合、圧延中に超硬合金製スリーブ
が滑るおそれがある。

【０００６】また、超硬合金単体では、焼結時に自重の
影響により成形体に大きな変形が生じやすいため大型長
尺のスリーブロールが製造できない問題がある。

【０００７】これらの問題を解決するものとして、例え
ば特開平１０−５８２３号公報に超硬合金製複合ロール
が提案されている。これは鋼材からなる内層材を形成す
るスリーブの外周に、周期律表のＩＶａ〜ＶＩａ族元素
の炭化物、窒化物および炭窒化物の硬質粒子の少なくと
も１種または２種以上を６０〜９０質量％と、残部実質
的にＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｍｏ及びＷの少なくとも
１種または２種以上の金属粉末とからなる混合粉末を焼
結すると同時に拡散接合させた超硬合金製の外層材を有
し、外層材表面に１００ＭＰａ以上の円周方向の圧縮残
留応力を付与した複合スリーブを、ロール軸材に嵌合固
定したものである。

【０００８】このような超硬合金製複合ロールは、内層
材の靭性が高いので、スリーブ全長を焼嵌めによりロー
ル軸材に固定でき簡単な構造となる。また、ロール胴部
長さの全表面を外層材で構成するため圧延に使用できる
部分を拡大できる。そのため、ロール交換の頻度が少な
くなり圧延の停止時間を短くすることができる。

【０００９】また、熱膨張係数の異なる内層材と外層材
を金属接合することにより、外層材表面に圧縮残留応力
を付与することができる。その結果、超硬合金単体ロー
ルに比べ圧延時に発生するヒートクラックの進展を抑
え、ロール改削量の軽減を図ることができる。また、圧
延時に例えば１ｍｍ程度の大きなクラックが発生した場
合でも、圧縮残留応力によりクラックの内部への進展を
防ぐことができる。

【００１０】このように内層材の外周に超硬合金の外層
材を金属接合させた超硬合金製複合ロールは多くの利点
を有するが、外層材に圧縮残留応力を付与するとそれに
概ね比例する大きさの半径方向引張り残留応力が生じる
ため、内層材と超硬合金の外層材との接合信頼性をさら
に高める必要がある。本発明の目的は、内層材と外層材
との境界部の接合強度を向上させた超硬合金製複合ロー
ルを提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の超硬合金製複合
ロールは、鉄系材料からなる内層材の外周に、炭化タン
グステン（ＷＣ）粒子を含む超硬合金からなる外層材が
金属接合された超硬合金製複合ロールであって、前記内
層材と前記外層材との間に１層以上の炭化タングステン
粒子を含む超硬合金からなる中間層を有し、前記中間層
の炭化タングステン粒子の含有量を前記外層材より少な
くした超硬合金製複合ロールである。さらに本発明にお
いて２層以上の中間層を有する場合には、内層材側の中
間層から外層材側の中間層に向かうにつれて個々の中間
層の炭化タングステン粒子の含有量を高くした超硬合金
製複合ロールである。

【００１２】本発明の超硬合金製複合ロールは、中間層
の炭化タングステン粒子の含有量は５０質量％以下、外
層材の炭化タングステン粒子の含有量は６０質量％以上
であり、さらに外層材および中間層の炭化タングステン
粒子の平均粒径は１０μｍ以下である超硬合金製複合ロ
ールである。

【００１３】さらに本発明は、厚さが２００μｍ以上で
ある中間層を少なくとも１層を有し、ＪＩＳＲ１６０
１に準拠した抗折試験において、境界接合部を含む抗折
試験片の抗折強度が８００Ｐａ以上、より好ましくは１
０００ＭＰａ以上である超硬合金製複合ロールである。

【００１４】本発明においては、炭化タングステン系超
硬合金からなる外層材と、鉄系材料あるいは鋼からなる
内層材の間に炭化タングステン（ＷＣ）粒子の含有量が
外層材のそれより少ない、炭化タングステン（ＷＣ）系
超硬合金の中間層を１層以上設け、さらに外層材から内
層材に向かい傾斜的な炭化タングステン（ＷＣ）の組成
とした中間層を形成している。さらに、２層以上の中間
層を設けた場合には、内層材側の中間層から外層材側の
中間層に向かうにつれて個々の中間層の炭化タングステ
ン粒子の含有量を高くしている。つまり、熱膨張率、硬
度、弾性係数の物性値が外層材から内層材に向けて連続
的に変化するようにしている。その効果として、外層材
と内層材との境界接合部の強度が向上し、境界接合部近
傍でのロール円周・軸方向の尖頭残留応力が低減できる
のである。

【００１５】超硬合金の外層材と炭素（Ｃ）を含有する
鋼製などの内層材とを金属接合する際には、外層材から
内層材へＣの拡散が起こる。その結果、外層材と内層材
の接合部近傍の超硬合金の炭化タングステン（ＷＣ）が
複炭化物（Ｗ、Ｃｏ）_３Ｃに変わる。この複炭化物の相
（η相）は、炭化タングステン（ＷＣ）と比べて脆く境
界接合部の強度を下げる要因となる。本発明において
は、外層材から内層材に向かい傾斜的に炭化タングステ
ン（ＷＣ）の含有量が低下した中間層を１層以上形成す
ることにより前記のＣの拡散を抑えることが可能にな
り、内層材側の中間層における複炭化物の相（η相）の
面積率を１０％以下にすることができた。さらに、Ｃ
ｏ、Ｎｉは超硬合金の外層材にも含まれる元素であるか
ら、中間層と外層材との親和性が良く接合強度を高める
ことができる。その結果、内層材と外層材との境界接合
部の強度（抗折強度）を平均８００ＭＰａに向上させる
ことができたのである。

【００１６】本発明の超硬合金製複合ロールにおいて、
ＷＣ系超硬合金からなる外層材は圧延用途に応じて、Ｗ
Ｃ粒子の含有量を６０〜９５質量％、ＷＣ粒子の平均粒
径は１〜１０μｍの範囲で適宜設定する。さらに、本発
明において、外層材のロール軸方向長さ（ロール胴部長
さ）が２５０ｍｍ以上であれば、圧延に使用できる部分
が拡大できるので望ましい。また、内層材は靭性に優れ
る鋼材もしくは鋳鉄材が好ましい。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施例について説明
する。（実施例１）外径３００ｍｍ、内径１８０ｍｍ、長さ７
００ｍｍの中空円筒状のＳＮＣＭ４３９鋼製の内層材を
準備した。

【００１８】また、各々平均粒径が６μｍのＷＣ粉末、
１μｍのＣｏ粉末、１μｍのＮｉ粉末、１μｍのＣｒ粉
末を用意し、質量％でＷＣ８５％、Ｃｏ９．３％、Ｎｉ
４．７％、Ｃｒ１％の割合で配合し、ボールミルで２０
時間湿式混合した後、乾燥し、超硬合金の素材となる混
合粉末を準備した。これを外層材用の混合粉末とした。

【００１９】また、各々平均粒径が５μｍのＷＣ粉末、
１μｍのＣｏ粉末を用意し、質量％でＷＣ３０％、Ｃｏ
７０％の割合で配合し、ボールミルで２０時間湿式混合
した後、乾燥し、超硬合金の素材となる混合粉末を準備
した。これを中間層用の混合粉末とした。

【００２０】次いで、前記の鋼製内層材の外周から２ｍ
ｍほど離れた外側に、中間層形成用の環状仕切り材を設
けた。そして、環状仕切り材の外側に上記の外層材用の
混合粉末を充填し、この環状仕切り材の内側であって、
内層材の外面と環状仕切り材の内面との間に形成された
隙間に上記した中間層用の混合粉末を充填した。続いて
環状仕切り材を取り外し、キャニングして、脱気処理、
封着した後、１３２０℃、１００ＭＰａ、２時間の熱間
等方圧（ＨＩＰ）処理を行った。その後、冷却ＨＩＰ炉
から取り出した後、機械加工によりＨＩＰ処理用カプセ
ルを除去し、所定寸法に仕上げ加工を施して本発明の超
硬合金製複合ロールを得た。このとき、内層材と外層材
との間には、厚さ約２ｍｍの中間層が形成されていた
（試作番号１）。

【００２１】上記した試作番号１と同様な手順により、
鋼製内層材の外周と環状仕切り材との隙間の長さ（半径
方向の長さ）Ｌを種々変えて中間層を形成し、さらにこ
の中間層及び外層材に含まれる炭化タングステン粒子の
含有量も変化させて試作した超硬合金製複合ロールにつ
いて、その境界接合部の強度を測定した。この境界接合
部の強度の測定は、ロール直径方向に、内層材、中間層
および外層材を含む境界接合部の抗折試験片を切り出
し、ＪＩＳＲ１６０１に準拠した抗折試験を行った。
この結果を表１に示す

【００２２】

【表１】

【００２３】表１から明らかなように、内層材と外層材
との間に１層の中間層を形成した場合、この中間層に含
有される炭化タングステン粒子の含有量を外層材に含ま
れる炭化タングステン粒子の含有量より少なくし、さら
に、中間層の厚さを０．１ｍｍより大きくした試作番号
１、２、３では、接合部の抗折強度は９００ＭＰａ以上
の超硬合金製複合ロールが得られた。特に、炭化タング
ステン粒子の含有量を５０質量％以下にし、厚さを２ｍ
ｍにした中間層を有する試作番号１、２においては、接
合部の抗折強度は１２６０ＭＰａ以上の超硬合金製複合
ロールが得られた。

【００２４】表１に示す試作番号１、２、３の超硬合金
製複合ロールを超音波探傷法により検査をしたところ、
境界接合部からの反射はほぼ一定で溶着不良がないこと
を確認した。また、試作番号１、２、３の超硬合金製複
合ロールの端部よりリング状のテストピースを切り出し
組識調査を行った。その結果、中間層における複炭化物
（Ｗ、Ｃｏ）₃Ｃは１面積％未満であった。

【００２５】（実施例２）次の手順により２層からなる
中間層を有する超硬合金製複合ロールを試作し、実施例
１と同様に境界接合部の抗折強度を測定した。まず、内
層材の外周から長さＬ１ほど離れた所に環状仕切り材を
設けた。続いて、この環状仕切り材の外面から長さＬ２
ほど離れたところに、予めスリーブ状に圧粉して成形し
た超硬素材を設置した。そして、内層材と環状仕切り材
とが形成する長さＬ１の隙間に中間層１（内層材側の中
間層）となる粉末を充填し、環状仕切り材とスリーブ状
超硬素材とが形成する長さＬ２の隙間には中間層２（外
層材側の中間層）となる粉末を充填した。

【００２６】続いて、環状仕切り材を取り外し、キャニ
ングして、脱気処理、封着した後、１３２０℃、１００
ＭＰａ、２時間の熱間等方圧（ＨＩＰ）処理を行った。
その後、冷却ＨＩＰ炉から取り出した後、機械加工によ
りＨＩＰ処理用カプセルを除去し、所定寸法に仕上げ加
工を施して本発明の超硬合金製複合ロールを得た。

【００２７】実施例２においては、上記の手順のうち、
隙間Ｌ１、Ｌ２の長さ、及び中間層１、中間層２、外層
材に含有される炭化タングステンの含有量も変えて超硬
合金製複合ロールを試作した。境界接合部の強度の測定
は、実施例１と同様に、ロール直径方向に、内層材、中
間層および外層材を含む境界接合部の抗折試験片を切り
出し、ＪＩＳＲ１６０１に準拠した抗折試験を行っ
た。この結果を表２に示す。

【００２８】

【表２】

【００２９】表２に示すように、２層の中間層１、中間
層２を形成し、かつ、これら２層の中間層に含有される
炭化タングステン粒子の含有量を内層材側の中間層１か
ら外層材側の中間層２に向かうにつれて個々の中間層の
炭化タングステン粒子の含有量を高くし、２層の中間層
のうち少なくとも１層の厚さが２００μｍ以上である
と、抗折強度は１０００ＭＰａ以上になり、特に中間層
の炭化タングステン粒子の含有量を５０質量％以下にす
ると抗折強度は１３００ＭＰａを超えることが明らかに
なった。

【００３０】（実施例３）表１及び表２に示す試作番号
１、９で試作したと同様の手順により得られた本発明の
超硬合金製複合ロールを、鋼からなるロール軸材の外周
に焼嵌めて固定し、熱間線材圧延中間スタンド用ロール
を作製した。従来から使用されているこの種のロール
は、例えば超硬合金製スリーブ２個をロール軸材に焼嵌
めた組立式ロールであり、圧延できる部分が約２００〜
２５０ｍｍであった。これに対し、本発明のロールは圧
延できる部分が５００ｍｍと拡大できた。その結果、ロ
ール替えの頻度が従来の半分になった。また、境界接合
部の強度が高いことから、外層材と内層材の収縮差によ
り発生する半径方向の残留応力、焼嵌め応力に加えて、
圧延時に発生する圧延応力、熱応力にも十分耐えること
ができた。

【００３１】以上の実施例では、内層材と外層材との間
に１層及び２層の中間層を形成した超硬合金製複合ロー
ルについて説明したが、炭化タングステン粒子を含む中
間層を３層以上形成し、かつ内層材側の中間層から外層
材側の中間層に向かうにつれて個々の中間層の炭化タン
グステン粒子の含有量を高くすると、前記した実施例
１、２と同様に抗折強度を向上させた超硬合金製複合ロ
ールを得ることができる。

【００３２】

【発明の効果】本発明によれば、内層材と超硬合金の外
層材との接合信頼性を高めることができ、さらに苛酷な
圧延用途にも適用拡大できる超硬合金製複合ロールを提
供することができる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】鉄系材料からなる内層材の外周に、炭化
タングステン粒子を含む超硬合金からなる外層材が金属
接合された超硬合金製複合ロールであって、前記内層材
と前記外層材との間に１層以上の炭化タングステン粒子
を含む超硬合金からなる中間層を有し、前記中間層の炭
化タングステン粒子の含有量を前記外層材より少なくし
たことを特徴とする超硬合金製複合ロール。
【請求項２】２層以上の中間層を有し、内層材側の前
記中間層から外層材側の前記中間層に向かうにつれて個
々の前記中間層の炭化タングステン粒子の含有量を高く
したことを特徴とする請求項１に記載の超硬合金製複合
ロール。
【請求項３】中間層の炭化タングステン粒子の含有量
は５０質量％以下であることを特徴とする請求項１また
は請求項２に記載の超硬合金製複合ロール。
【請求項４】外層材の炭化タングステン粒子の含有量
は６０質量％以上であることを特徴とする請求項１また
は請求項２に記載の超硬合金製複合ロール。
【請求項５】外層材および中間層の炭化タングステン
粒子の平均粒径が１０μｍ以下であることを特徴とする
請求項１〜４のいずれかに記載の超硬合金製複合ロー
ル。
【請求項６】厚さが２００μｍ以上の中間層を少なく
とも１層有することを特徴とする請求項１、請求項２、
請求項３、請求項５のいずれかに記載の超硬合金製複合
ロール。
【請求項７】ＪＩＳＲ１６０１に準拠した抗折試験
において、境界接合部を含む抗折試験片の抗折強度が８
００Ｐａ以上であることを特徴とする請求項１〜６のい
ずれかに記載の超硬合金製複合ロール。